水泥土桩复合地基褥垫层厚度试验研究

刘统广

（中天泰和国际工程勘察设计（北京）有限公司，山东 济南250000）

黄熙龄[1]提出在承台下设置褥垫层，可以优化复合地基桩土应力比，合理利用桩间土的承载力，能充分发挥复合地基的承载特性。自杨军等[2]将褥垫层应用于工程实践以来，复合地基技术在我国得到了广泛的应用和发展，并取得了良好的经济效益。目前国内在地基处理中应用的桩型有十余种之多，几乎均以桩体和桩间土通过褥垫层调节达到这两种介质共同承载为基本概念。复合地基的理论和技术现状却是，理论研究仍然远远落后于工程实践。褥垫层是复合地基处理技术的核心，但因复合地基种类较多，作用机理复杂，环境条件多变性等原因，导致褥垫层的材料及厚度的理论研究和技术应用仍有很大的空间。

现场载荷试验和室内模型载荷试验是当前研究复合地基理论的主要手段。文章以室内水泥土桩复合地基载荷试验数据为基础，研究褥垫层厚度对复合地基竖向和水平向承载特性及位移变形的影响，分析了在不同褥垫层厚度下复合地基竖向和水平向桩土应力比及位移的变化特征，探讨水泥土桩复核地基褥垫层厚度合理取值问题。

1 室内模型试验

试验在沈阳建筑大学结构试验室内进行。水泥土桩径为100mm，桩长为1000mm。钢板箱体尺寸为2m×2m×1.6m，内贴5mm厚泡沫橡胶板，用以降低刚性试验箱体对土体的约束作用。桩底铺设300mm厚细沙，桩顶褥垫层为粒径10mm的碎石，装侧土为粉质黏土。预制水泥土桩体为参量10%的P.042.5级硅酸盐水泥。水泥土桩复合地基室内模型试验分为竖向载荷试验和水平载荷试验两部分。本试验由高精度静态伺服液压控制台控制，使用UCAM-70A.IMP数采系统自动采集数据。

1.1 竖向载荷试验加载过程

使用压力传感器监测200t滑动千斤顶，每步50kN分级加载。每步加载稳定后读取数据，然后再进行下步加载。终止加载条件为沉降不收敛或得到相关曲线可以做定性分析。

1.2 水平载荷试验加载过程

预先使用50t滑动千斤顶施加额定竖向荷载（100kPa），然后使用200t千斤顶施加水平荷载，每步2.5kN分级加载，加载历时15min后读取数据。终止加载条件为水平位移不收敛或得到相关曲线可以做定性分析。

2 试验结果分析

2.1 褥垫层厚度对地基竖向沉降位移的影响

不同褥垫层厚度时水泥土桩复合地基荷载-沉降曲线如图1所示。在载荷前期，3种不同褥垫层厚度下的地基沉降随竖向荷载的增加而近似直线增加。70mm厚褥垫层沉降曲线曲率增大点为100kPa处，对应沉降值为24.2mm；140mm厚褥垫层沉降曲线曲率增大点荷载为125kPa，对应沉降值为29.5mm；210mm厚褥垫层沉降曲线曲率增大点荷载为150kPa，对应沉降曲线为32.4mm。试验数据显示相同荷载条件下，随着褥垫层厚度的增加复合地基竖向沉降变小。在一定范围内，褥垫层厚度的增加可以使水泥土桩与桩间土更好地协调工作，提高复合地基的承载力和变形能力。

图1 不同褥垫层厚度下桩顶竖向沉降

2.2 褥垫层厚度对桩顶水平位移的影响

在竖向荷载100kPa的等同条件下，改变褥垫层厚度。桩顶水平位移变化规律如图2所示。

图2 不同褥垫层厚度下桩顶水平位移

从图2可以得出，在同一水平荷载作用下，垫层越厚，桩顶水平位移越小。在一定范围内，增加褥垫层厚度能够优化桩土之间的应力比。当水平荷载大于25kPa时，相对140mm褥垫层下的桩顶水平位移，70mm褥垫层厚度下的桩顶水平位移迅速增大。这正是由于褥垫层厚度过小，使得桩身承载水平力增大，桩间土承载能力不能充分发挥。

褥垫层是影响水泥土桩复合地基特性的重要因素。对于柔性桩复合地基，褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础冲切，这势必导致基础加厚。基础在水平荷载作用下，可能造成复合地基中桩断裂。由于褥垫厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，从而造成经济上的浪费。唯一带来的好处是建筑物的沉降量小[3]。褥垫层厚度大，桩对基础产生的应力集中很小，可不考虑桩对基础的冲击作用，基础受水平荷载的作用，不会发生桩的折断，并能充分发挥桩间土的承载能力。若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近1。此时桩承担的荷载太小，实际上复合地基中桩的设置已失去了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。

综合以上分析，建议实际工程中水泥土桩复合地基褥垫层厚度为桩径的1～2倍，且不小于100mm。

3 褥垫层厚度设计

褥垫层厚度决定了复合地基的合理性。通过合理控制复合地基的褥垫层厚度，能够得到预期的桩土应力比和地基沉降值，从而达到复合地基处理的安全性和经济性。在实际工程设计之初，已知上部结构所需的地基承载力和处理前原有地基的承载力，按现行《建筑地基处理技术规范》（以下简称《地处规》）根据桩土应力比经验值即可求得增强体的置换率[4]。复合地基承载力计算过程中，散体材料增强体复合地基桩土应力比或有黏结强度增强体复合地基桩土承载力发挥系数为经验值，而对此起主要影响作用的褥垫层厚度也为范围取值，导致计算结果的偏差较大。

300mm桩径水泥土桩复合地基褥垫层（中粗砂和碎石石屑）最佳厚度为200～300mm，在此范围内，褥垫层厚度与桩土应力比成负相关关系[5]。肖耀廷[6]提出褥垫层厚度等于桩顶应力扩散角厚度与桩顶刺入量之和。假设条件：（1）垫层为理想弹性体，材料符合摩尔库伦准则；（2）不考虑桩的侧向变形，桩土只发生一维压缩；（3）计算时不考虑垫层图的重量和粘聚力；（4）桩体向垫层的破坏形式为刺入破坏。

从垫层的受力和变形的角度推导出褥垫层厚度计算公式：

式中：n为桩土应力比；h0为桩顶应力扩散厚度；Kp为被动土压力系数；Es为垫层压缩模量；φ为垫层内摩擦角；ψ为直线扩散角；σ为基底压力；D为水泥土桩直径。

本文通过现场静载荷试验分析得出，100mm桩径水泥土桩复合地基褥垫层厚度小于200mm时，桩土应力比随垫层厚度的减小而降低。从上述计算式可知，褥垫层的厚度与桩径成正相关关系，与基底压力成正相关关系，并和褥垫层的材料相关。

4 结束语

（1）相同荷载条件下，随着褥垫层厚度的增加水泥土桩复合地基竖向沉降变小。在一定范围内，褥垫层厚度的增加可以使水泥土桩与桩间土更好地协调工作，以提高水泥土桩复合地基的承载力和变形能力。

（2）在水平加载初期，竖向荷载能够减小桩身水平位移。竖向荷载使得桩顶在水平方向上受到一定程度的约束，从而限制了桩顶的水平位移。建议水泥土桩复合地基水平荷载承载力设计值不小于竖向最大荷载的1/10。

（3）适度增加褥垫层厚度能够优化桩土之间的应力比。建议实际工程中水泥土桩复合地基褥垫层厚度为桩径的1～2倍，且不小于10cm。

（4）水泥土桩复合地基褥垫层厚度取值影响因素颇多，其理论计算公式的确定仍需进一步工程试验和理论分析。